1978年5月20日，美国总统国家安全事务助理布热津斯基一行10人到达北京。布热津斯基仍担心中国不给他较高礼遇，但一下飞机受到中国外交部长黄华的欢迎，知道中国按照接待国务卿的规格对待他，脸上才有了笑容。
布热津斯基把主要功夫下在与邓小平的会谈上。
布热津斯基详细向邓小平介绍了卡特对中美关系正常化的想法，强调说：
“我奉命向你们确认，美国接受中国的三条，即：撤军、废约、断交，再次肯定美国上届政府向你们所讲的五点，我愿意把我到北京讲过几次的那句话再在这里重复一遍：在这些问题上，美国已经下定决心了。”
布热津斯基建议中美从下个月开始就关系正常化问题进行高度保密的谈判，邓小平马上接受了这个建议，又追加了一句话：“我想这个问题就这样定了，我们期待着卡特总统下定决心的那一天。好吧，咱们谈别的题目吧！”
布热津斯基一听急了，赶快声明：“我已经对您讲过，卡特总统已经下定决心了！”
从1978年7月开始，黄华外长开始与美国驻华联络处主任伍德科克进行谈判。谈判中，黄华严肃指出：①台湾问题是阻碍中美两国关系正常化的关键问题，这个问题是美国政府派兵侵占中国领土台湾、干涉中国内政造成的，“解铃还需系铃人”；②要实现中美两国关系正常化，美国必须履行断交、撤军、废约三原则；③在实现中美关系正常化后，美国同台湾之间可以继续保持民间来往，美国还可以在台湾设立民间机构，但美国不应继续向台湾出售武器；④解放台湾是中国的内政，别国无权干涉。
卡特总统接到报告，便下令让白宫国家安全会议中国事务专家奥森柏格对前两任总统搞的中美会谈作全面研究，看有没有其他秘密承诺。
奥森柏格受命在全美国范围内搜集情报，得到尼克松、基辛格、布什等的大力支持，编成了编号为24的《政策审查备忘录》，兴冲冲交到卡特手中说：
“总统，这份备忘录有三大部分，第一部分提出了美中关系正常化的几种方案；第二部分提出了有关向中国转让非军事科技的方案；第三部分是裁减驻台美军的步骤和方式的几种选择。”
卡特大喜，仔细翻阅后又请美国国务院东亚局首脑霍尔布鲁克等人来白宫共商对策。霍尔布鲁克献计说：
“总统，现在是你的政治力量和权力都趋于最高水平的阶段，邓小平也和日本签订了友好条约，愿意与我们进行关系正常化谈判，因而，现在是实现与中国关系正常化的最佳时间，请总统注意，这个时机稍纵即逝，万万不可轻易丢失。”
卡特兴奋得双眼熠熠生辉，从座位上一跃而起，斩钉截铁地发出指示：“立即通知布热津斯基和伍德科克，把1978年12月到1979年1月作为完成谈判的时间目标，希望在那段时间实现美中关系正常化！”
1978年12月4日，中国外交部副部长韩念龙与伍德科克在外交部会客室举行中美建交又一轮谈判，韩念龙满面春风地说：
“主任阁下，我荣幸地通知你，中国政府考虑了卡特总统的建议，赞同把1979年元旦作为中国和美国关系正常化的日期，中国领导人邓小平将在12月14日接见阁下。”
伍德科克简直不相信自己的耳朵，又请韩念龙复述一遍，才迅速把这一重要消息传回美国，报告给卡特总统。
卡特总统喜形于色，他意识到邓小平12月14日接见伍德科克将是一次至关重要的接见，于是卡特又亲自审核了伍德科克将要同邓小平会谈的谈话稿。
卡特总统还向政府重要成员庄重地说：“美国政府决定邀请邓小平于1979年1月访美。美国政府认为，已经到了考虑对中美建交作出最终决策的时候了。”
经中美紧张谈判，双方达成三项协议：①美国承认中国关于只有一个中国、台湾是中国一部分的立场，承认中华人民共和国是中国的唯一合法政府。在此范围内，美国人民将同台湾人民保持文化、商务和其他非官方关系；
②在中美关系正常化后，美国政府宣布立即断绝同台湾的“外交关系”，在1979年4月1日以前，从台湾和台湾海峡完全撤出美国军事力量和军事设施，通知台湾当局终止《共同防御条约》；
③从1979年1月1日起，中美双方互相承认并建立外交关系，3月1日互派大使，建立大使馆。双方在以下两个问题上仍有重大分歧。
美国希望中国只用和平方式解决台湾问题，中国强调解决台湾问题的方式是中国内政，不容他人干涉。最后商定，各自发表声明，美国在声明中表示期待台湾人民将有和平的未来，关心由中国人自己和平解决台湾问题。中国在声明中指出，解决台湾回归祖国、完成国家统一的方式完全是中国的内政。
其次，美国坚持在中美关系正常化后继续向台湾出售武器，中国坚决反对。
1978年12月14日，邓小平接见了伍德科克。接见时美方邀请邓小平访美，邓小平愉快接受了这一邀请。
对最有争议的对台出售武器问题，邓小平了解到美国即将终止《美台共同防御条约》，因此只要求美国在该条约仍然有效的最后一年里，不再向台湾出售武器。
1978年12月16日，中美两国政府同时在北京和华盛顿公布《中华人民共和国和美利坚合众国关于建立外交关系的联合公报》，宣布中美两国自1979年1月1日起建立外交关系。
在公布建交公报之日，卡特总统发表电视谈话说：“我们采取这一重要步骤并非出于暂时的策略上的原因或权宜之计。中国人口占世界人口的1/4，中国人民是有才能的人民。因此，中国在世界事务中起着重要的作用，而且这种作用在未来的年月中只会越来越重要。”
邓小平更深刻地指出：“中美两国实现关系正常化，这是两国关系中的历史性事件，也是国际生活中有着深远影响的大事。卡特总统在宣布中美建交消息时说，美国并不是出于暂时的策略上的原因或权宜之计而采取这个重要步骤的。我赞赏这个富有远见的见解。中国政府一向是从长远的政治和战略观点来看待中美关系的。”
